三维打印快速成型机材料的研究 - 图文(8)

４粉末配方的试验研究取制件的ＣＡＤ模型尺寸为１５ｍｍ＊１５ｍｍ＊１５ｍｍ，一次试验同时成形９个制件。按表４．３的设计方案，配置１１组复合粉末，每组粉末经充分混合、干燥后，过２００目筛。对这１１组复合粉末分别进行三维打印成形试验，每组试验完成后，清理粉末盒，再装入下一组粉末进行试验。成形过程中，将喷头离粉末平面的距离固定，设为２ｍｍ，选取层厚为０．１ｍｍ；喷射扫描模式为正常，即Ｘ方向的扫描速度和Ｙ方向的扫描间距分别为０．６ｍ／ｓ和０．４ｍｍ；铺粉辊子的转动速度和平动速度分别为２００ｒｐｍ和１．５ｍ／ｍｉｎ。成形完成后，将工作平面升起，取出制件，用压缩空气将其表面的残余粉末吹除，并在空气中自然干燥约３０分钟。对制件的重量，ｘ，Ｙ，ｚ方向的尺寸进行测量，计算尺寸的相对变形量和各制件的密度。测量制件Ｘ，Ｙ，Ｚ方向上的抗压强度，发现制件Ｘ方向上抗压强度最高，Ｙ方向上次之，Ｚ方向上的抗压强度最小，仅为ｘ方向上的８０％左右。这是由于Ｙ方向为辊子移动方向，容易形成错层和阶梯状缺陷，使制件强度略有降低，而Ｚ方向为层堆积方向，强度最小且受材料性能的影响最大，因此试验中仅对每组制件Ｚ方向的抗压强度进行测量。对制件表面硬度的测量中，发现其莫氏硬度均小于ｌ，且与制件的密度直接相关，因此这里没有将表面硬度作为反应制件性能的指标。分析不同粉末材料配方对制件三个方向上的尺寸的变形量，以及密度、ｚ方向的强度的影响；根据观察将和尺寸的测量，以及表面平整光滑程度、分辨率、表面有无颗粒感、有无气孔、裂纹或表面剥落等缺陷作为对制件表面质量的评价依据，表面质量最好的值取１０，依次类推。试验结果如表４．４所示。表４．４试验结果４．２均匀试验设计结果的分析４．２．１制件的锱观结构采用４．１．３节中的工艺参数，分别进行纯石膏粉末和含有２０％的ＰＶＡ和少量二氧化硅的复合石膏粉末进行三维打印成型试验，干燥后制件，对其Ｚ方向断面的微观形貌进行３ｌ西安科技大学硕士学位论文观察。电子ｊ：＿｛描显微镜（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．ＳＥＭ）是观察物体微观形貌的有力工具，但是由于石膏晶体无导电性，且含有２个结品水，此外二维打印成形得到制件强度较低，采用ＳＥＭ对制件断面的微观形貌进行直接观测变得十分困难。这是因为样品必须保持干燥并在表而上镀导电层（会或碳）以防止观测时发牛表面放电，试验中发现几个强度较低的样件在镀导电层的过程中被破坏。ｆ二燥样品有时会使其微观结构失真，而镀导电层则往往会掩盖样品表面的微细结构；止ｋ＃ｌ－在ＳＥＭ观测中由于处于真空条件下受电了束的轰击，样品也呵能收到破坏。样品制备和观测过程的高真空度决定了ＳＥＭ难以准确地观察石膏制件的微观形貌。电子显微技术的进步使原位观察湿态样品称为ｒ—Ｊ．能。环境电子扫描显微镜（ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳＥＭ．ＥＳＥＭ）采用多级真空系统，气体二次电子信号探测器等独特设计能够在不镀导电膜的情况Ｆ观察不导电样品，在控制温度、压力、相对湿度和低真空条件下进行观察，减少了样品的Ｔ燥损伤和真空损伤。这些改进使ＥＳＥＭ显著区别于传统的ＳＥＭ手段，它尤其适用于微结构对湿度ｔ‘分敏感的观测。冈此采用最新雕ＪｑｕａｎｔａＦＥＧＥＳＥＭ２００环境扫描电镜观察石膏基ｊ维打印成型制件的Ｚ方向断面形貌。纯石膏粉末制件的ｚ方向断面形貌如图４．１所示。图４．１纯Ｚｊ膏粉末二维打印成型制件的Ｚ方向断面形貌从图４．１看出，纯石膏粉末成型制件的断面由大量针状和柱状二水石膏组成，晶体之间的间隙不均匀，存在一些粗大的柱状二水石膏晶体和大量不规则的未被充分水化的３２４粉末配方的试验研究石膏颗粒，断面中存在‘些有大的ｆｎＪ隙，但未出现明显的带状裂纹。图４．２为含有２０％的ＰＶＡ矛Ｈ少量白炭黑的复合石膏粉术的成型制件的Ｚ方向断面形貌。Ｎ４．２禽有２０％ＰＶＡ复合粉末ｊ维打印成型制什的Ｚ方向断面形貌山图４．２Ｉ叮以看出，含有２０％ＰＶＡ和少量二氧化硅的复合石膏粉末，其三维打印成型制件由大量短柱状和片状二水石膏晶体组成，石膏晶体之间填充有胶凝状物质，为ＰＶＡ：石膏晶体人小较纯石膏制件更为均匀，断而中存在大量的ｆａＪ隙和明显的裂纹。不同粉末成分的三维扣‘印成型制什的微观组织结构揭示了粉术中彳ｉ同成分刈‘宏观物理性能的影响。纯石膏粉术的成型制件的断面中无明显的层状界限，其一水石膏的晶体董多，制件的强度好，密度较高，ｆ日．由于晶体生长不均匀，存在未水化的石膏颗粒，因此在宏观上表现为截面模糊，表面有颗粒感，尺寸精度差。含有ＰＶＡ的石膏复合粉末在成形时，ＰＶＡ对石膏晶体的生长起到一定的制约作，Ｌ｝ｊ，此乡＇ｂＰＶＡ与液滴作用形成的胶凝状物质填充了石膏晶体ＩｈＪ的问隙，使制件界面清晰，能够表达细节结构，表而尢粉粒感，尺、，精度好¨引。ＰＶＡ的存在也导致了制件变软，表面硬度下降；此外由ｊ二ＰＶＡ与水的作用，使用于石膏水化的水膏比进一步下降，而ＰＶＡ又有良好的成膜效应，阻断了石膏晶体的连接成网络结构，形成大量间隙和反应层堆积效应的带状裂纹。正是这种１１：ＩＪ隙和裂纹使制件密度低，强度下降。３３西安科技大学硕士学位论文４．２．２粉末中各成分含量对制件的影晌图４．３、图４．４、图４．５分别为石膏在粉末中的含量对三维打印成型制件Ｘ、Ｙ、ｚ８向变形量的影响规律，图４．６为石膏含量对表面质量的影响规律。利用ＲＡ．ＴＬＡＢ软件编写Ｍ文件，根据实验得到的数据点拟合曲线。绘制试验数据与石膏含量的关系图，并采用三次多项式拟合试验数据。石膏含量对Ｘ方向变形量的彭喻规律石膏含量图４．３石膏含鼍对ｘ方向变形量的影响规律石膏含量对访向变形量的影响规律石膏含量图４．４石膏含量对Ｙ方向变形量的影响规律４粉末配方的试验研究石膏含量对ｚ方向变形量的影响规律删谶取遁袄Ｎ石膏含量图４．５石膏含量对ｚ方向变形量的影响规律石膏含量对表面质量的影晌规律棚蜓悃懈石胥含量图４．６石膏含量对表面质量的影响规律由上面几个图可知，石膏含量对Ｚ方向的影响规律难以用三次曲线拟合，对其他评价的影响基本上可以用三次多项式拟合。石膏含量对制件的性能影响较大，当石膏含量大于８０％时，石膏含量的增加使制件密度和ｚ方向抗压强度显著增加。石膏含量对制件表面质量则起不同的作用，当石膏含量在位于７５％．８５％之间时，表面质量评价最高，表３５